磁性霍爾效應編碼器堅固耐用，可在車輛所經歷的惡劣環境條件下提供高精度和精確的位置信息。

角度和運動傳感器廣泛用于車輛，用于踏板位置傳感和油門控制等應用用于變速箱和方向盤。幾乎不需要說明，特別是在轉向系統和油門中，可靠的操作對于駕駛員，乘客，其他道路使用者和行人的安全是絕對必要的。因此，汽車傳感器必須非常堅固，并且在車輛的使用壽命期間可靠地運行。

與此同時，車輛中的電磁兼容性（EMC）標準也越來越嚴格，新一代低碳柴油和汽油發動機的開發需要更高的傳感器性能，更高的分辨率和低功耗運行。例如，在轉向應用中，汽車設計師正在尋找能夠獲得超低待機電流的元件。甚至還有一種“按需測量”的舉措，以降低控制電子設備的功耗。

傳感器還需要適應新的數字接口，如單邊半字節傳輸（SENT）協議和外圍傳感器接口5（PSI5），它將取代傳統的模擬輸出。

所有這些因素的結合正在加速取消傳統的接觸傳感器解決方案，并通過非接觸式傳感器進行替換。

ams率先開發了集成霍爾效應編碼器解決方案，優化了用于汽車應用的AS5xxx系列傳感器。本文介紹了如何通過使用專利的差分傳感器技術來促進具有挑戰性的汽車條件下的穩健性能。

免疫雜散磁場

圖1顯示了一個簡單的直徑（雙極）磁傳感器AS5163 ）磁化磁鐵。傳感器IC測量垂直場分量并計算絕對角度值。

圖1：非接觸式磁編碼器。

AS5xxx器件實現的差分原理是旨在消除諸如雜散磁場，振動和未對準等環境因素的影響。

圖2：差分原理涉及使用四個霍爾效應元件。這種差分原理需要在IC內部使用四個霍爾效應元件。傳統上，磁性位置傳感器僅使用一個霍爾效應元件。這四個元件在直徑磁化的旋轉磁體（見圖2）下方等間隔，產生四個正弦波形，每個相位與相鄰波形相移90度。這可以用公式表示：

其中：

a=峰值幅度

α=相對于傳感器的磁體旋轉角度通過使用差分放大相反的傳感器組：

產生兩個具有雙幅度的90度相移信號：

這兩個模擬信號然后被數字化在數字域中進一步處理之前的模數轉換器（ADC）。 AS5xxx設備內的坐標旋轉數字計算機（CORDIC）使用以下公式將正弦和余弦數據轉換為角度和幅度信息：

其中：

A =測量角度

α=相對于傳感器的磁體旋轉角度

峰值幅度

取消，剩余的表達式是

傳感器IC和磁鐵之間的差距。它還消除了由雜散磁場引起的磁偏移。圖3顯示了典型傳感器磁體實現的橫截面。如果沿著磁體的直徑繪制垂直磁場（傳感器對其敏感）的分布，則最大值出現在磁體邊緣附近的極點處。磁鐵中心的中性區磁場強度為零;隨著半徑的增加，磁場強度以相對線性的方式增加。圖3：磁鐵和傳感器的橫截面。

只要所有的霍爾效應元件在此線性范圍內，差分信號［見公式2］將保持不變，與磁體的水平位置無關。 AS5xxx不需要線性霍爾效應傳感器所需的溫度補償。 IC可在-40攝氏度至+ 150攝氏度的整個工作范圍內自動校正磁場強度變化。

將使用差分原理的磁編碼器與使用鐵磁場的其他霍爾效應編碼器解決方案進行比較是很有意思的。集中。在AS5xxx的情況下，壓力測量顯示在存在高達20.000 A/m（25 mT）的均勻雜散場時角度輸出沒有變化。當靜態和動態雜散場應用于傳感器系統時（見圖4），傳感器產生的位置信息（X，Y，Z）不受影響;傳感器設計堅固耐用。

圖4：采用亥姆霍茲線圈的AS5163傳感器和磁體，用于分析磁雜散場的影響。

使用鐵磁場聚光器的霍爾編碼器解決方案對靜態和動態雜散場非常敏感。在500至1000A/m的低磁場強度幅度下可以觀察到幾度角度誤差。為了避免這些影響，帶有場集中器的傳感器需要靠近傳感器的昂貴磁屏蔽材料。圖5顯示了動態磁雜散場（20 Hz）1000 A/m（1.26 mT）對傳感器的影響。主磁體也位于亥姆霍茲線圈中并放置在某個位置。傳感器編程為360度全轉模式，輸出范圍為0.5 V至4.5 V.振蕩代表20 Hz雜散場干擾。在這種情況下，角度誤差約為2到3度。圖5：AS5163輸出與傳感器輸出的比較，使用20 Hz的場集中器1000 A/m。

差分原理適用于任何角度。然而，使用場集中器對傳感器的影響受到磁鐵位置的強烈影響。圖6顯示了十個不同角度的傳感器輸出分析。

圖6：存在雜散磁場時角度輸出的精度。

強大的保護和診斷功能

磁干擾不是影響位置傳感器輸出的唯一環境因素。電氣干擾也會影響輸出。電源上的過壓脈沖或微中斷可隨時發生。 AS516x能夠在沒有任何損壞的情況下克服這些損壞，并在干擾消失后立即重啟而無需復位。此外，AS516x能夠承受高達+27 V的過壓脈沖。由于該器件提供-18 V反極性保護，因此也可防止連接錯誤造成的損壞。

為避免輸出短路造成永久性損壞，AS5163具有智能檢測電路。在檢測到輸出短路時，器件會關閉輸出并在延遲后重新啟動。設備會定期嘗試以降低的功率打開輸出。

此外，高環境溫度下的永久性短路不會損壞設備。

看門狗功能以及內部和外部診斷使傳感器解決方案適用于踏板等安全關鍵應用。

在芯片內部故障的情況下，輸出被強制進入故障帶。過壓事件會強制輸出關閉，負載條件會將輸出拉入故障帶。使用故障頻帶還可以防止外部故障（例如VDD和GND損壞），AS516x系列可以提供4 kV靜電放電（ESD）保護。

ams還提供一個完全冗余的傳感器，帶有兩個獨立的輸出，用于安全關鍵應用。

傳感器的強大通信

許多傳統傳感器將其輸出作為模擬信號提供。然后車輛的電子控制單元（ECU）必須先用ADC對其進行數字化處理才能使用。這有許多缺點。例如，電磁事件和其他噪聲源可能破壞信號，需要在ECU中使用模擬濾波器進行補償。錯誤處理也很困難且昂貴。要在1％的范圍內實現小故障帶很困難，并且在所有工作條件下處理由VDD或GND損壞引起的泄漏影響具有挑戰性。

數字單線通信消除了這些問題。新的汽車數字接口，如SENT J2716，正在得到更廣泛的支持，新的AS5165（可從制造商XXXXX獲得）符合SENT J2716標準。 PSI5接口是另一種選擇。該界面非常強大，具有許多有價值的功能。通過電源線上的電流和電壓調制來處理雙向通信。傳感器只有兩個連接，有助于降低成本。

結論

磁性霍爾效應編碼器可以作為旋轉和線性變體從ams獲得。它們同樣堅固耐用，可在車輛所經歷的惡劣環境條件下提供高度準確和精確的位置信息。隨著AMS繼續投資改進其磁編碼器系列，設計工程師可望繼續致力于生產在安全關鍵應用中成功運行的強大設備。